鄱阳湖表层沉积物细菌群落结构与功能的时空差异研究

摘要

环境微生物在湖泊生态系统中作为分解者对物质循环、能量流动起到了非常重要的作用，通过可靠地评估微生物的数量、多样性以及微生物活性等，对阐明湖泊生态系统的结构、功能和发育是至关重要的。目前对大型淡水湖泊的研究表明，沉积物细菌群落可能受到多种理化因素的影响。鄱阳湖水文特征复杂、湖河形态多样，近年来三峡大坝的建立以及人为活动干扰等对鄱阳湖带来了潜在的生态隐患。然而目前对鄱阳湖沉积物细菌群落的时空变化研究仍然十分不足，对其如何响应环境变化也知之甚少。
　　本研究于2014年4月（涨水期）、7月（丰水期）、10月（退水期）和2015年1月（枯水期）对鄱阳湖四个形态及功能差异明显的样地进行了样品采集，样地分别为：松门山（SM,主湖区）、南矶山（NJ,碟形湖）、饶河（RH,入湖口）和白沙洲（BS,湖汊）。对采集到的沉积物样品进行pH、硝态氮（NO3-N）、铵态氮（NH4-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、总有机碳（TOC）、去灰分干重（AFDM）、重金属（Cu、Zn、Pb、Cd）等环境参数的测定，并运用荧光定量PCR（qPCR）、Illumina MiSeq高通量测序以及Biolog-ECO微平板法分别对鄱阳湖沉积物进行了细菌丰度、细菌群落结构以及微生物群落功能多样性的分析，得到结论如下：
　　鄱阳湖不同类型生境对沉积物环境因子的影响要大于处于不同水文时期的季节的影响。除TN和Pb外，所有环境因子均在样地间差异显著，而只有NO3-N、TP、TN、TOC和Pb在季节间差异显著。具体表现为，南矶山碟形湖具有最高的与碳、氮相关营养参数及有机质含量，饶河入湖口具有最高的重金属含量，而松门山主湖区的各种营养参数及重金属含量均较低，这种结果与样地所处环境受到人类活动和干扰有关。
　　鄱阳湖沉积物细菌群落丰度在不同生境类型的样地间呈现出显著差异性，而在季节间差异不显著，其中BS>RH>NJ>SM，主要与重金属含量呈现显著正相关。鄱阳湖沉积物细菌群落结构在样地间的差异大于季节间的差异，且主要体现在松门山主湖区与其他样地差异显著。细菌群落Shannon多样性指数在松门山主湖区显著高于南矶山和白沙洲样地。经物种注释共得到50个门、129个纲、255个目、463个科和814个属。各个样品在门水平的优势类群均为：Proteobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Bacteroidetes、Nitrospira、Chlorobi。而在科水平上各个样品的优势物种差异显著，其中对松门山样地与其他三个样地的细菌群落结构差异起到主要贡献的科包括：Nitrospiraceae、Anaerolineaceae、Xanthomonadaceae、Cystobacteraceae、FamilyI、BSV26、Xanthomonadales_Incertae_Sedis、Nitrosomonadaceae、Sphingomonadaceae等。其中Cystobacteraceae、Anaerolineaceae、 Nitrospiraceae和BSV26在南矶山、饶河和白沙洲样地相对丰度显著高于松门山样地，而 Xanthomonadaceae、Sphingomonadaceae和FamilyI在松门山样地丰度更高。由冗余分析（RDA）可知，水深及环境化学特征（pH、重金属、碳氮相关营养盐）是对鄱阳湖表层沉积物细菌群落结构的差异起到显著影响的环境因子。基于16S rRNA测序结果进行的METAGENassist功能预测结果表明，细菌群落功能在样地间以及季节间差异均不明显。其中差异最为显著的功能是几丁质降解功能和芳香烃降解功能，且在松门山样地显著高于其他样地。
　　鄱阳湖表层沉积物样品微生物代谢活性在具有不同生境类型的样地间差异显著，且较高的营养参数及重金属含量均能够降低微生物代谢活性，主要体现在松门山主湖区的微生物碳源利用能力显著高于其他样地。结合Illumina MiSeq高通量测序，在门水平的优势物种中，Verrucomicrobia和Firmicutes主要对饶河入湖口与其他样地的碳源利用差异起到主要贡献作用，与多聚物类碳源呈现显著负相关。Chloroflexi与Delta-proteobacteria主要对南矶山碟形湖与其他样地的碳源利用差异起到主要贡献作用，且与羧酸类、氨基酸类、胺类碳源呈现显著负相关。Gamma-proteobacteria、Bacteroidetes和Beta-proteobacteria主要对松门山主湖区与其他样地的碳源利用差异起到贡献作用，且与羧酸类、氨基酸类、胺类碳源呈现显著正相关。此外，微生物碳源代谢活性与细菌群落结构呈现显著的相关性。
　　综上所述，鄱阳湖不同类型生境沉积物的化学因素是影响其细菌群落结构的主要因素，这可能与其人类活动和干扰有关。而不同类型的微生物代谢功能对环境及细菌群落变化的响应规律不同，今后还需要更进一步的研究加以证实。

目录

声明

第1章 引言

1.1 淡水湖泊沉积物微生物研究意义

1.1.1 淡水湖泊生态系统现状及生态意义

1.1.2 淡水湖泊沉积物微生物的作用

1.2 淡水湖泊沉积物微生物群落研究进展

1.2.1 淡水湖泊沉积物微生物群落结构与功能多样性

1.2.2 淡水湖泊沉积物微生物群落结构与功能对环境因素的响应

1.2.3 环境微生物研究方法

1.3 本课题的选题依据、研究内容与技术路线

1.3.1鄱阳湖概况

1.3.2 选题依据

1.3.3 研究内容

1.3.4 研究目的与意义

1.3.5 技术路线

第2章 鄱阳湖不同生境类型沉积物细菌群落结构、功能差异研究

2.1 材料与方法

2.1.1 样品采集与处理

2.1.2 仪器及试剂

2.1.3 环境参数的测定

2.1.4 Illumina MiSeq PE250高通量测序

2.1.5 微生物群落碳源利用分析

2.1.6 数据分析

2.2 结果与分析

2.2.1 鄱阳湖不同生境类型表层沉积物环境因子特征

2.2.2 鄱阳湖不同生境表层沉积物细菌群落组成

2.2.3 鄱阳湖不同类型生境表层沉积物微生物碳源利用多样性

2.2.4 细菌群落组成与微生物功能代谢的关系

2.3 讨论

2.4 小结

第3章 鄱阳湖表层沉积物细菌群落组成的时空变化

3.1 材料与方法

3.1.1 样品采集与处理

3.1.2 环境参数的测定

3.1.3 16S rRNA 基因荧光定量PCR(qPCR)

3.1.4 Illumina MiSeq PE300高通量测序

3.1.5 数据分析

3.2 结果与分析

3.2.1 鄱阳湖表层沉积物环境因子的时空变化

3.2.2 鄱阳湖表层沉积物细菌丰度的时空变化

3.2.3 鄱阳湖表层沉积物细菌群落组成的时空变化

3.2.3鄱阳湖沉积物细菌群落与环境因子的关系

3.2.4 功能预测

3.3 讨论

3.4 小结

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果

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